基于C8051F021的剩余電壓測量系統設計?

2012-08-07 07:52:58付艷玲肖海清王宏偉李秀學

電子測試 2012年9期

付艷玲，肖海清，王宏偉，李秀學

（1. 中國檢驗檢疫科學研究院，北京 100123；2. 北京長城航空測控技術研究所，北京 100176）

0 引言

剩余電壓是電氣設備斷電后，電源插頭各極間、用電設備內部儲能器件在一段時間內保持的電壓[1]。如果用電設備內部儲能器件足夠大，會導致用電設備在切斷電源后存在電能，此時人如果接觸到儲能元件或插頭就有觸電的危險。家用電器產品安全標準（GB4706.1）也提出了對器具的剩余電壓檢測要求[2]，因此電器產品安全檢測需要對此項指標進行檢測。針對這種情況，文中設計了一種以單片機C8051F021為核心控制單元的智能測量系統，實現了對用電設備剩余電壓的測量。

1 系統結構及功能

圖1 系統結構圖

系統的結構框圖如圖1所示，整個系統主要由單片機系統、相位檢測電路、斷電控制電路與驅動電路、電壓采集電路、LCD顯示、按鍵輸入等幾部分組成。系統工作流程如下：連接測量樣品，確定接線無誤后，按下開關鍵，系統先進行初始化，電源指示燈亮，LCD顯示交流電壓的實時值，操作員通過調壓旋鈕將電壓穩定到220V；在測量前，系統處于待機狀態，操作員可以通過按鍵設置測量的次數，斷電后測量時間等參數；參數設置完成后，按測量鍵，系統開始檢測施加的電源供電相位，判定到相位零點后，延時到電壓峰值，通過驅動斷電控制電路對交流供電進行斷電，經設定的時間參數延時后，采集回路開始采集樣品的剩余電壓，并將采集值傳輸給單片機，單片機對采集的數據進行實時處理、存儲、顯示。

2 硬件電路設計和關鍵模塊分析

2.1 主控核心電路設計

微處理器選用單片機C8051F021作為控制器，控制電壓的通斷電以及信號采集、顯示等工作。單片機C8051F021的主要特點是：內核和指令系統與MCS-51系列單片機完全兼容；指令執行速度高達25MIPS；全部I/0、RST、JTAG引腳均允許5V輸入；運行程序過程中可進行內部、外部時鐘切換以減小單片機功耗等。軟件運行環境采用Keil-C51的編譯環境，程序代碼可讀性和移植性強[3]。

2.2 相位檢測電路

為了對供電電壓進行控制，必須對施加的電源的相位實時檢測，電路如圖2所示，從電源變壓器次級輸出一組6 V低壓電源，供初始相位檢測用，此低壓電源經全波整流、降壓、整形放大后，輸出至單片機外部中斷輸入端，完成相位的檢測[4]。

圖2 相位檢測電路原理圖

2.3 驅動電路

驅動電路選用反向緩沖器MC1413，它能實現3.3 V到12 V電平轉換。單片機檢測到相位零點，延時到電壓峰值，單片機觸發MC1413，輸出的信號控制相應繼電器的關斷[5]。在繼電器的兩端并聯有阻容濾波器，用來吸收繼電器吸合、關斷時產生的瞬時高壓。

2.4 電壓采集電路

剩余電壓的采集由單相雙向功率芯片CS5460來完成，CS5460A是一個包含兩個ADC、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的模數轉換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率等。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。本儀器中，電壓信號經運放放大后作為CS5460的電壓輸入信號，電路原理圖如圖3所示。

圖3 電壓采集電路

2.5 下載配置電路

C8051F021下載配置支持的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO。其中TCK為測試時鐘輸入；TDI為測試數據輸入，數據通過TDI引腳入JTAG接口；TDO為測試數據輸出，數據通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇[6]。在具體的設計中，使用C8051F專用仿真器U-EC6通過JTAG接口來調試下載程序。

2.6 按鍵電路設計

控制按鍵使用了5個按鍵（參數選擇、上調按鍵、下調按鍵、復位按鍵、測試按鍵）。用到的5個接口分別對應C8051F021的5個I/O接口。接口通過上拉電阻被接到+3.3V電壓，始終保持高電平。而當有按鍵被按下時，直接接地，置成低電平觸發。

2.7 LCD液晶顯示電路

液晶采用SMG240128A點陣圖形液晶顯示模塊，液晶模塊采用數據并行傳輸模式，通過兩個驅動芯片74L3245和74HC14與單片機C8051F021相連。其中74LS245是八位雙向總線收發器，它可將液晶模塊的數據總線與CPU的數據線相連，負責控制數據的傳輸，并具備數據鎖存和緩沖功能；74HC14為六輸入反相驅動器，可驅動液晶模塊的4條控制線。該液晶模塊的接口電路如圖4所示。